对“费米佯谬”的纯理智分析（1）——生命的起源形式

赤脚晓涛

“如果外星文明存在的话，它们早就应该出现了（If they existed, They’d be here）。”费米佯谬是一个简单的命题，它的逆否命题是：“既然外星文明至今未出现，那说明它们不存在。”
让我们先跳出存在与不存在的怪圈，暂时遗忘所谓的“黑暗森林”假说的担忧，来进行一下纯粹理智的演络。
根据萨根的定义，在一个局部区域，如果通过一个由能量流驱动的反应循环，区域内的有序性不断提高（熵值不断降低，也就是指系统无序、混乱程度降低），这个区域就被认为是有生命的。
让我们来开动脑洞，想象一下各种形态的生命：
有生命当然不等于是外星人，甚至外星人可以是无生命的（如例1）。
例1：超级外星人设想将一个星系甚至整个宇宙看作一个智慧体。不要认为可笑。或许太阳只是构成这个超级生物的一个原子。
假设1.1：外星人生活在暗物质或暗能量环境，因为我们对这两样东西实在不了解，实在难以更多想象。不过，物质世界与这两个世界的相互作用实在太小。就是存在这样的外星人，也绝不会对我们的地球有兴趣。中子星和黑洞中可能的生物也面临同样的尴尬。可以参考的就只有行星或卫星了。关于行星或卫星上的生命，我有如下猜想
假设1.2：硅基生物。想象一堆天然凝结硅晶体，含有杂质。这些晶体偶然的凝结成各种结构：能将光转换成电，又能又电生产硅。
我们来开动脑洞，想象一下各种形态的生命，为了便于分类，不妨将各种想象中的“生命”按照与人类类似的程度分级：
S级：

超越人类逻辑的生命，最有代表性的就是“无所不能的上帝”，显然，一个无所不能的存在是违背逻辑的，通过简单的逻辑假设就能证明“无所不能”不存在：祂能创造一块自己举不起来的石头吗？祂能创造出比自己能力更大的的生命吗？
显然S级要么不存在，要么超越了我们的逻辑以至于我们无法理解——假如是后者，那么无所不能的祂能让愚蠢如我们理解祂吗？
由于S级是如此的超乎想象，我们的任何讨论也就失去了意义。
A级：

符合逻辑，也就是符合数学的，但是超越物理层面的生命。由于探索技术的有限，人类的物理知识被锁死在一定的范围内：我们无法知道大爆炸“暴胀”阶段以前的宇宙是什么样的：是否存在比强相互作用力更强的相互作用力？密度比普朗克密度更大的环境下引力场是怎样的？已知的维度（无论是3个维度还是11个维度）以外是否存在更高的，但是不会干涉已知维度的维度？超光速的快子是否存在（我个人比较倾向暗能量就是快子）？
我们能想象到的A级生命的猜想包括：暴胀场生命、快子生命、不同物理参数的宇宙的生命。无论哪一种生命，其生存环境都是不与我们的世界发生互相干预的（因为如果发生了互相干预，必然会有干预的痕迹）。比如暴胀场生命，其生活的暴胀场环境在大爆炸后1032秒衰变成近乎均匀的夸克、玻色子、轻子。在这以前发生的“故事”无法被我们探测到，也不对我们产生任何影响（即使存在影响，我们也无法知道这是生物遗留的影响）。再比如快子生命，构成其“躯体”快子具有几乎无穷大的速度。在相对论效应的作用下，一枚快子会在瞬间运动遍布整个宇宙，但是不会对我们生活的物质世界中的物质产生任何影响。
最极端的，假如我们的世界是一个缸中之脑想象的世界，那么，缸的外面可能还应该有一个符合逻辑的世界。当然，缸外面的世界也可能是超越逻辑的，也就是S级：或许我们证明“无所不能”的逻辑方法本来就是缸外面的世界设计的一条代码而已。
B级：
和我们统一宇宙的生命，其生命体由已知的物质（已知物质包括暗物质但不包括暗能量）构成，并且在三维空间存在形体。
显然，“费米佯谬”中提到的外星文明至少应该属于这一级别或者更低的级别（S,A级的即使降临地球人类也不可能发现）。
我们对物质的了解已经足够高了，完全可以尝试遍历所有的B级生命形式：
1：B级生命躯体的大小。物质的运动速度和以任何方式传递信息的速度是不能超过光速的，显然，越大的生命躯体成长的速度也就越慢，假如星系是宇宙海洋中类似细菌的生物，那么一亿年才是它的一个生命周期（地球一般细菌约20～30min便分裂一次，即为一代），想象一下地球细菌用了几十亿年才进化成人类，等这些大家伙进化出智慧至少要亿亿年——宇宙早可能早就被暗能量变成一无所有的真空了。
2：B级生命躯体的构成。人类的躯体由原子构成，原子间由本质为电磁力的原子间作用力结合。电子和原子核构成原子，人体的一切生命活动都在电子和原子核级别发生（地球人的线粒体不具备核反应获得能量的能力）。
以下内容比较枯燥，不愿意看的请跳过斜体字直接看结论，如果对我的结论有怀疑，再慢慢的审核斜体字部分，我本身理论物理知识有限，也欢迎大家指出错误
在宇宙暴胀结束以后，相互作用力只有4种：是万有引力、电磁相互作用力、强相互作用力和弱相互作用力（暴胀结束以前可能存在其他的相互作用力，但是那属于A级的生命了）。所以构成B级生命的最小单位必须由其中的一种或几种力互相结合，结合强度足以保证最小单位不会随机的脱离。唯有如此，才能保证生物体结构稳定，从而保证其低熵的状态。如果构成生物体的基本单位可以与靠近的基本单位自由交换位置，那么生物体不不能维持低熵的。
对于人体，基本单位是原子，化学键保证了部分原子不能自由移动。最主要的是的碳-碳、碳-氧、碳-氮原子链中的碳氮氧。
如果这种力是万有引力，万有引力只有在星际等级才有足够的强度，那么构成“万有引力”生物的“原子”就是星球。由于大小的限制，星际级大小的生命不可能创造出文明。此外引力不能屏蔽只能叠加也是一个问题（为什么不能屏蔽的相互作用力不能维持低熵结构？这是一个问题）
如果这种力是强相互作用力，强相互作用力的距离大约在 10-15 m 范围内，那么构成该什么的最小单位必须被强相互作用力束缚在10-15 m 范围内才能保证生命的结构不会解体——强相互作用力不足以要把粒子约束在10-15 m的三维势井中。同理，弱相互作用力也不行。
这样一来，就只剩下电磁相互作用力一个选择。
传递电磁相互作用力必须有正负两种电荷，且其中一方必然是电子或正电子（否则就会发生衰变或湮灭）且不能两方同时是电子和正电子（否则还是就会湮灭）。也就是说，构成生命的最小单位至少是包含电子或正电子的。带电荷的基本粒子粒子只有电子、正电子和夸克。μ子夸克由于夸克禁闭至少要两个结合在一起。双夸克的带电粒子带电荷的粒子：电子、μ子、τ子 、六中夸克（及其反粒子）。其中电子、μ子、τ子不参与强相互作用力所以不可能聚集成团。夸克正好相反，想单独存在都不行，至少2人一组。μ子、τ子和两人一组的夸克都不稳定，半衰期最长的μ子才2.2微秒。所以构成B级生命的只能是电子、两个及以上夸克结合成的粒子以及两个及以上夸克结合成的粒子结合成的粒子（及其反粒子）——是不是有点绕口。
别担心，“两个以上夸克结合成的粒子”中，三个夸克组成的粒子叫重子，其中半衰期大于一秒且稳定的只有质子和反质子。所以构成B级生命的级别结构只有“电子-质子”和“正电子-反质子”两种结构。两种结构在不涉及弱相互作用力的情况下完全对称，根据观察宇宙中“电子-质子”占据主导，显然如果出现生命“电子-质子”结构是唯一的可能。电子和正电子不参与强相互作用力无法聚集成小于10-12 m的结构，只有质子可以在强相互作用力的作用下和中子聚集。最轻的重子是质子中子，越重的重子越不稳定，超过重子2的中子寿命相对于生物已经不可接受了（其寿命最长也是10^(-10)秒数量级）。更多的夸克结合体的还没发现，即使发现了，至少其质量一定大于质子。 “两个以上夸克结合成的粒子结合成的粒子”已知的只有一种，就是原子核。
如果存在质量介于电子和质子之间的稳定粒子，则其熵值必然极低。大爆炸过程中必然大量产生这种粒子， 1GeV能量以上的粒子对撞实验也必然很容易可以产生出这种粒子。事实上大爆炸产生的稳定粒子只有电子质子中微子和中子（通过与质子结合变得稳定）。由于可观测宇宙（半径91 × 109光年）是均匀的，这一结果是可以推广到整个视界内宇宙（半径91 × 109光年）的。
对于大于中子质量的基本粒子，尚不能确定其都是不稳定的（三个夸克组成的超子寿命都小于10^(-8)秒，而更多夸克组成的粒子目前的研究还很有限）。然而由于大爆炸并没有制造出大量的此类粒子，此类粒子即使存在也只能由夸克星等高能天体制造出来。而夸克星是不能存在生命的（前文所述，生命的躯体要保持三维结构就必须有相互作用力能够把构成基本粒子束缚在小于基本粒子间距的范围内，夸克星的密度高温度高，其基本粒子距离小而能量高，任何基本力都无法完成这一束缚）
这样一来，构成B级生命的只能是“电荷量是质子整数倍且质量电荷比大于等于质子的一坨夸克”和(正)电子。
综上，B级生命唯一可能的构成就是“质子或含质子的粒子团-电子”。
这里说明一下，量子色动力学和量子味动力学作为描述基本相互作用力的物理理论，虽然细节上还有很多争议（比如超出标准模型的粒子），但是在理论物理界是大家都接受的。
即使这两者力学理论存在问题，
由于我不是专门学基本粒子的，对B级生命的讨论可能有所错误和疏漏，然而在可观测宇宙，大部分的物质是以质子、中子、电子（包括三者的某些形式的聚合）和暗物质形态存在的，由于弱力不能构成生物，所以非原子形态的生物即使理论上可行，也是缺乏物质基础的，唯一可能例外的情况就是夸克星（中子星是否会演变成夸克星尚有争议），欢迎懂基本粒子和色动力学的朋友对B级生物进行补充。
C级：

和我们同一个元素周期表构成的生命。
对B级生命的讨论得出结论，生命只能是“质子、中子、电子（包括三者的某些形式的聚合）”，——也就是原子或者叫化学元素。
周期表里的元素和同位素就那么多，不在同位素列表中的同位素即使存在也大多是半衰期极短的同位素。超铀元素稳定岛即使存在较稳定的元素，其半衰期也不可能超过万年（或许是秒级别的），显然，生命不能指望稳定岛上的元素，而除了稳定岛，宇宙再不可能制造出周期表外的稳定元素了。
让我们把目光聚焦到周期表上的百余个元素。
生物需要结构、能量、溶剂
结构
前面说过，所以构成生命的最小单位必须由其中的一种或几种力互相结合，结合强度足以保证最小单位不会随机的脱离。对于周期表元素构成的生物，结合力就是原子间作用力和分子间作用力（本质上都是电磁力），而最小单位则是原子，而等离子体由于不能固定构成其本身的物质，是不能构成生命的。
也就是说，构成生物的原子必须结合的足够“强”以至于这些原子不会被热运动变成随机位置。
最理想的“结构原子”就是碳，碳碳键钉住的原子是宇宙中位置最稳定的原子，金刚石的硬度是已知最大的。（锇的硬度可能超过金刚石，然而锇在宇宙的任何地方都是稀有的），其他候选的原子包括：碳、氮、过度金属、铍、硼、铝、硅、硫、磷等等。
但是有几点是明确的：氢不能成为结合原子（只有一个配位键），氧硫不能单独成为结合原子。
能量
生物除了结构原子还需要能量，地球生物圈主要的能量循环是以碳水化合物最为承载的。
在光合作用过程，光能电离水产生游离氢，还有部分能量传递给ATP，然后ATP的能量辅助下游离氢与二氧化碳结合成碳水化合物，有氧呼吸则几乎是反过程：碳水化合物释放少量能够产生氢原子，氢原子氧化产生大量能量。




熟悉燃料电池的朋友会发现其实线粒体就是最好的燃料电池。
溶剂
燃料电池除了燃料还必须有电解质，事实上由于生物不能是等离子体或高温体（结构原子的结合强度决定），化学反应不可能在高温气相下进行。熟悉冶金和化工的知道，化学反应无非是火法或者湿法，火法不行则只能选湿法。所以生物离不开液体溶剂。
做电池电解质设计的知道，液体溶剂要支持高能反应，本身必须是足够稳定的，如果本身电离电压只有。0.5V，那么就无法承受超过0.5V的电化学过程。同理，生物体选择的溶剂决定了生物获取和储存能量的上限。
宇宙中常见的中低温液体：水、液态氢、液态甲烷、液态氨、液态氮、液态氧、液态二氧化碳、液态硫、四氧化二氮、二氧化硫、浓硫酸以及其中某些的混合物（显然需要不发生化学反应才能混合）
液态氢做不了电解质×，液态氮、液态氧、液态硫、四氧化二氮同理×
液态甲烷、液态氨的电离电压很低，不足0.1V（具体依照温度而定），也就是说液态甲烷、液态氨为电解质的生物无法进行电化学电压超过0.1V的化过程。
类似的，以水为电解质的地球生物无法把硅、铁、钠、氯、氟这样的元素变成单质。
二氧化硫、浓硫酸的电离电压同样比水低很多（注意浓硫酸的电离是分解成亚硫酸或二氧化硫），而且在宇宙中比水更加稀少。
让我们回顾前文的结构元素，由于溶剂的限制，无论水电解质生物还是非水电解质生物，都无法把钛、硅、铁等强碳化物形成元素从氧化态变成游离态或碳化、氮化态，如果要存在“硅基、铁基、铝、铍、硼基生物”，就必须存在非氧化态的硅、铁等供其吸收（并没有），然而这些元素在宇宙中除了等离子体基本都是氧化态的。
好了，结构元素只剩碳、氮、硫、磷了，氮氮键、氮氧键、氮硫键都不稳定，氮还剩离不开碳作为生物结构，目测只剩磷硫了。
磷硫和碳一样，属于和谁都能结合，和自己也能结合的原子，然而磷硫无论和什么结合，形成的化学键都很“弱”（想象一下白磷的硬度和金刚石的硬度），由它们作为结构原子的生物（如果存在）将会脆弱的令人发指。
综上，碳基-水电解质生物实际上已经是B级生物的最优解，其次是碳基-氨电解质生物，再次是磷硫基——周期表就这么大，并无其他解。
关于超级硅基生物假说：很多人疑问，你说硅/金属基生物不可能存在，那你是什么？这就需要所谓超级硅基生物假说，超级硅基生物，允许高温气体作为生物构成，所以不再苛求电解质，为了避免高温气体打乱自身原子排列，超级硅基生物存在隔热结构，然而超级硅基生物是无法自然进化产生的（大型有序结构不能进化产生，这里的有序是量子态级别的有序），一般认为，全人类的工业体系构成一个“准超级硅基生物”（因为工业还需要人力和木头等碳基生物），理想的超级硅基生物是否存在尚不确定，我个人认为，即使存在超级硅基生物，也是要依赖碳基构件的。
D级

碳基-水电解质生物。
以地球生物为代表的，碳基-水电解质生物（下文简称碳水生物），可能具有的结构太多，我们不一一论述，然而我们仍然能够估计碳水生物对环境的要求。
通常认为，碳水生物必须形成膜结构，即疏水-亲水分子在水环境下排列成的具有流动性的膜，必须存在遗传物质（请大家开动脑洞构思非膜结构或者无遗传物质的细胞，我已经老了 o(︶︿︶)o）
水，必须是液态水，常压下0~100℃。即使加高压保持液态，如果温度超过100℃，高温会使氢键断裂，破坏膜结构破坏。而外星人，对高温的耐受是更差的，因为高温产生的破话即使概率很低，在复杂系统（脑）中也是严重的。事实上，地球人的37℃体温并不完全是适合环境的结果，在热带，保持39℃的体温才是最节省成本的（人体散热的结构比保温的结构发达的多），然而人体（脑部）的温度却最终进化在37℃。事实上即使是有机膜结构的燃料电池，在80℃以上也会迅速损坏。我们有理由相信碳水生物是很难很难适应80℃以上的环境的（某些简单细菌能在更高的温度下生存，然而他们都是极其简单的，比如海底火山口的化能细菌），越复杂的碳水生物，耐受炎热的能力越差。
生物要获取能量。化学能：地球上存在化能自氧菌（最初的生物也可能是此类），但是，稳定的、大量化学能供给是不可能存在的（高能则不稳定），所以单纯化学能基础不可能支撑起复杂的生物圈系统。原子能：引发原子能所需的能量超过了电解质（水）的电解电压（原子能通常需要MeV级别的能量，水才1.2V），完全没有可能。热能：热能必须存在温差才能吸收效率极限（η<1-T2/T1），然而如果生物是μm级别的（最初的生物就真么大，复杂生物的线粒体和叶绿体也如此），它所处环境的温差小到忽略不计，所以热能无法被简单生物利用，能量的利用是从简单生物开始的（线粒体和叶绿体可能曾是单独的生物），简单生物无法利用热能，复杂生物也无法进化出热能利用系统。电能：天然电能（闪电）太狂暴不予考虑。
只剩下光能和机械能（风潮汐等）了。
恕我想象力不足，无法现象出风力细菌，所以只对光能进行考虑。
光能的利用率，具体见该词条：https://www.zhihu.com/question/265494436
由于二氧化碳和氧是气体的，所以复杂生物必须有一个大气环境（即使是海洋溶解氧和二氧化碳至少也需要气压）
D级需要的星球
由于我们讨论的是费米佯谬，永远只是几个细菌的化能生物圈不予考虑，所以这颗行星温度0~100℃（至少某些区域常年处于5~60℃供外星人生存，较热的星球外星人生活在极低，但由于极低少光且辐射强烈，其外星人的进化将比人类更加困难），光线充足，表面富含碳氢氧，听起来不稀奇？
作为临近的恒星，如果超过1.5太阳质量，寿命不足20亿年，不予考虑，质量小于0.5太阳质量，则光线暗淡。其亮度远远小于太阳，如果行星要获得足够的表面温度，就必须很近———然后自转就会被潮汐作用锁死，一天等于一年，环境太过恶劣。
行星本身要有足够的引力和磁场阻止大气的逃逸，通常认为这需要一个熔融的铁地核。最后如果外星人想发展工业，那么他们的星球至少需要有煤或者石油——这需要板块运动和大量的生物遗骸。
这些条件都满足了，130亿年已经过去了。。。。。。
有人提出，如果恐龙进化出文明，那么地球是否可以早一亿年进入工业文明呢？这是可能的。虽然恐龙时代没有煤炭，但是石油是有的（应该也必将少），智慧恐龙发明水车后直接发现电磁感应，进入电气时代。煤炭的恐龙只能用木炭冶金，发展的会慢一点，不过几万年走完工业革命还真有可能，说不定还比人类走的更远。毕竟没有得“化石燃料依赖症”。

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（发文发的比较急，有不少错别字，希望不影响大家的阅读，也感谢大家指出^_^;
本来后面还有科技天花板的内容，论证外星文不可能到达地球的，可是还没写完，主要是涉及材料硬度和冯诺依曼自动复制机的时候，量子场论和信息论的知识不够，在此求高手指点）

hyfeng0828

对“费米佯谬”的纯理智分析（2）——科技天花板：讲述了假如有生物比人类进化提前几亿年，为什么不能到达地球的问题。链接：科技天花板

lcd7171

多谢指出，“三个夸克组成的粒子叫重子，其中半衰期小于一秒的只有质子和反质子。”有误，因为中子的寿命611.0±1.0 秒大概十多分钟。此处应该是“三个夸克组成的粒子叫重子，其中半衰期大于于一秒且带电的只有质子和反质子。”

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文中说的的确不是很详细，补充一下。自然界的硅（任何星球）一般都只和一种原子形成化学键（通常是氧。注意，硅酸盐虽然存在第三种元素，但是其中的硅只和氧结合）。
如果把硅作为生物结构的分子终端，这样是没问题的，但是如果要把硅作为生物分子的骨架，它就不能只存在硅氧键。
没法画图，想象一个分子链-SiO(OX)2-SiO(OX)2-，硅和硅之间用氧搭桥链接，外挂的官能团X也必须用氧搭桥和硅连接，这个分子能稳定吗？常温下就直接坍塌成硅酸或者氧化硅了。所以高分子硅必须存在硅和其他原子的共价键（氟也不行）。
这就不得不涉及氧化还原反应，而反应环境的液体如果是水——那水肯定是直接跟硅结合。
事实上，工业还原硅都是高温熔融还原或者气相还原。但是就算生物用气相还原出硅或者硅的碳氢化合物，也必须在液体中组装成分子链，而分子链的组装会产生游离的硅自由基——还是会和电解质反应。

给我闪

厉害